淺談開(kāi)關(guān)三極管的原理及應(yīng)用

黃淑圓

（惠州三星電子有限公司，廣東 惠州516229）

0 引言

傳統(tǒng)的機(jī)械式開(kāi)關(guān)通過(guò)機(jī)械動(dòng)作控制電流的斷開(kāi)與導(dǎo)通，因觸點(diǎn)易磨損，在開(kāi)啟的瞬間，易產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并引起弧光，可能會(huì)侵蝕觸點(diǎn)，對(duì)開(kāi)關(guān)造成干擾或危害，還存在啟閉時(shí)間長(zhǎng)等種種缺點(diǎn)。為克服這些缺點(diǎn)，三極管作為開(kāi)關(guān)得到了廣泛的應(yīng)用，如常用于開(kāi)關(guān)電源電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、脈沖電路和輸出電路等。

1 開(kāi)關(guān)三極管的分類(lèi)及工作狀態(tài)

三極管具有3個(gè)電極：發(fā)射極（E）、集電極（C）、基極（B）。按PN結(jié)的組合方式，三極管分PNP型跟NPN型。按本征半導(dǎo)體材料的不同，有硅管和鍺管之分。因此，三極管有4種類(lèi)型，即3A（鍺PNP）、3B（鍺 NPN）、3C（硅PNP）、3D（硅 NPN）。對(duì)于不同材料，導(dǎo)通跟截止電壓也不同，硅管的導(dǎo)通電壓大于0.7V，截止電壓小于0.7V；鍺管的導(dǎo)通電壓大于0.3V，截止電壓小于0.3V。PNP型三極管和NPN型三極管特性基本相同，本文主要討論NPN型三極管的工作原理。

三極管有截止、線性放大、飽和3種工作狀態(tài)，作為開(kāi)關(guān)，三極管主要工作在截止和飽和狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)跟閉合。

截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)三極管基極偏置電壓小于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，基極電流IB＝0時(shí)，集電極IC和發(fā)射極IE沒(méi)電流（或只有微弱的弱電電流）通過(guò)，此時(shí)三極管失去了電流放大作用，我們稱(chēng)三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，C、E極之間相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)狀態(tài)。即開(kāi)關(guān)三極管BE發(fā)射結(jié)反向偏置或零偏置，CE集電結(jié)反向偏置。

飽和狀態(tài)。當(dāng)三極管基極偏置電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，基極電流增大到一定數(shù)值時(shí)，集電極電流IC基本上不再隨著基極電流IB的變化而變化，而是趨近于某一定值，這種現(xiàn)象稱(chēng)為飽和狀態(tài)。此時(shí)三極管失去電流放大作用，集電極和發(fā)射極之間的電壓很小，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。即開(kāi)關(guān)三極管BE發(fā)射結(jié)、CE集電結(jié)都為正向偏置。

當(dāng)三極管處于臨界飽和狀態(tài)時(shí)，VCE＝VBE，即VCB＝0。而VCE＜VBE時(shí)，三極管處于過(guò)飽和狀態(tài)。

2 開(kāi)關(guān)三極管的工作原理

在開(kāi)關(guān)三極管的應(yīng)用中，通過(guò)輸入電壓來(lái)控制開(kāi)關(guān)的OPEN和CLOSE。如圖1所示，在三極管的主電流回路上，負(fù)載電阻RLD接在三極管的集電極與電源之間。為防止基極電流過(guò)大，驅(qū)動(dòng)電路可能無(wú)法承受，不容易快速退出飽和進(jìn)入截止關(guān)斷狀態(tài)，從而影響開(kāi)關(guān)頻率，在基極追加了偏置電阻RB，起到放電作用。

圖1 基本的三極管開(kāi)關(guān)

如圖2所示，當(dāng)三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，基極電流IB趨近于0，C級(jí)與E級(jí)間呈斷路狀態(tài)，IC＝0，VBE＝VCC。對(duì)于硅三極管而言，其基射極的正向偏壓值約為0.6V，因此輸入電壓Vin必須小于0.6V，以使三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)三極管的基極電流為0。通常在設(shè)計(jì)時(shí)，為確保三極管一定工作在截止區(qū)，輸入電壓Vin的值一般低于0.3V。當(dāng)然，輸入電壓Vin值越接近于0，越能保證開(kāi)關(guān)三極管處于截止區(qū)，即發(fā)射結(jié)零偏置。

圖2 開(kāi)關(guān)三極管截止區(qū)等效電路

如圖3所示，當(dāng)輸入電壓Vin為高電壓時(shí)，發(fā)射結(jié)正向偏置，基極有電流流動(dòng)，集電極流過(guò)更大的放大電流，負(fù)載回路被導(dǎo)通，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的閉合。此時(shí)三極管工作于飽和區(qū)，電流傳送到負(fù)載上，即三極管的集電極C與發(fā)射極E短路，相當(dāng)于機(jī)械開(kāi)關(guān)的閉合動(dòng)作。

3 三極管的應(yīng)用

如圖4所示，當(dāng)輸入電壓Vi為低電平時(shí)，由于負(fù)電源（－12V）的作用，三極管基極電壓VB＜0，發(fā)射結(jié)跟集電結(jié)為反向偏置，三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，三極管斷開(kāi)，為使三極管可靠截止，此時(shí)的Rc上壓降近似為0，VO為高電平。當(dāng)輸入電壓Vi為高電平時(shí)，若R1、R2選擇適當(dāng)，將會(huì)使三極管迅速飽和導(dǎo)通，VO輸出低電平?？梢?jiàn)，這個(gè)回路完成了輸出VO與輸入Vi的反相，所以該數(shù)字電路也被稱(chēng)為反相電路。

圖4 數(shù)字三極管開(kāi)關(guān)電路

4 開(kāi)關(guān)三極管的選擇

（1）應(yīng)選用專(zhuān)門(mén)的開(kāi)關(guān)三極管，以得到較高的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度。

（2）電路設(shè)計(jì)時(shí)，要確保三極管工作在截止／飽和區(qū)，不得使三極管工作在放大區(qū)。

（3）不得使三極管過(guò)飽和，否則將影響開(kāi)關(guān)速度；至于截止?fàn)顟B(tài)，BE發(fā)射結(jié)不一定要負(fù)電壓偏置，零電壓偏置時(shí)三極管就截止了，不然也將影響導(dǎo)通轉(zhuǎn)換速度。

（4）為確保三極管作為開(kāi)關(guān)時(shí)的可靠性，可在基極接入一個(gè)負(fù)電源。

（5）需要調(diào)整輸入信號(hào)的頻率，以得到理想開(kāi)關(guān)速度。

5 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)關(guān)三極管具有壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)、安全可靠、體積小、開(kāi)關(guān)速度快、成本低、使用簡(jiǎn)單、不需要流過(guò)很大的電流、不用擔(dān)心功率損失跟發(fā)熱等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)關(guān)回路，其在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)于計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域都將有著不可替代的重要作用。

［1］于敏，李閩.三極管開(kāi)關(guān)特性探討［J］.硅谷，2012（1）：24.

［2］蘇成富.淺談三極管開(kāi)關(guān)電路［N］.電子報(bào)，2008－03－23（9）.